文章导读
如何破解量子芯片的规模化瓶颈？中国科大团队给出颠覆性答案！他们首次在硅基体系中，让共振交换量子比特与微波光子实现强耦合，强度高达65.8MHz。这项突破的关键在于实现了“全电控”，无需微磁体即可高效运作，成功规避了传统方案的布线与噪声难题。这一获国际顶刊推荐的成果，正为构建可扩展的量子处理器和网络铺设快车道。
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我校郭光灿院士团队在硅基半导体量子计算领域取得重要进展。该团队与本源量子计算有限公司合作，首次在硅基材料中成功实现共振交换量子比特（resonantexchange qubit, RX qubit）与高阻抗微波谐振腔的强耦合，耦合强度达到gs/(2π)=65.8 MHz，远超当前基于微磁体的翻转模式（flopping-mode）自旋量子比特体系的结果。该成果为实现全电控、可扩展的硅基量子处理器和量子网络奠定了基础。研究成果以“Coupling between a Si/SiGe Resonant Exchange Qubit and a High-Impedance Microwave Resonator”于2025年10月10日发表于国际知名物理学术期刊Physical Review Letters，并被选为“编辑推荐（Editors’ Suggestion）”。
硅基自旋系统的单比特与两比特门操作保真度已超过容错量子计算阈值，在构建实用化量子芯片方面拥有巨大潜力。如何进一步将自旋量子比特扩展至更大规模是当前研究的重要课题。然而，基于邻近耦合的传统阵列扩展方案布线复杂，且对局域噪声敏感，是规模化的主要瓶颈之一。基于电路量子电动力学（circuit quantum electrodynamics,cQED）实现比特间的长程耦合为解决这一瓶颈提供了一种潜在的高效解决方案。自旋量子比特与微波光子达到强耦合区间是这一方案的前提和关键，由于电子自旋与光子之间的直接耦合很弱，通常需借助微磁体实现强耦合，但由此带来频率调谐较为困难、不易实现多比特阵列协同等挑战。
(a)硅基三量子点与微波谐振腔杂化器件的伪色光学图像。(b) 高阻抗超导氮化钛谐振腔。(c) 三量子点电极结构的伪色扫描电子显微镜图像。(d) 共振交换量子比特与谐振腔强耦合的真空拉比劈裂信号。
共振交换量子比特作为一种基于三量子点架构的自旋量子比特，电偶极矩大，非常适合用于耦合微波谐振腔。特别是其无需外加微磁体即可实现频率调谐和量子门的全电控操作，谐振腔易于同时与多个量子比特进行耦合，有利于多比特集成与协同工作。在该工作中，研究团队利用氮化钛（TiN）材料制备了特征阻抗高达2.5 kΩ的高阻抗谐振腔，进一步增强了量子比特和微波光子之间的耦合强度。通过精确调控三量子点中的电子数布居和能级结构，在硅基体系中观测到共振交换量子比特的能谱，比特与微波光子耦合强度达到gs/(2π)=65.8 MHz，超过了双频测量提取的退相干速率γs/(2π)=21.4 MHz，进入强耦合区间。在此基础上，研究团队还系统分析了可能影响共振交换量子比特退相干的因素，包括超精细相互作用、电子-声子相互作用和电荷噪声等。通过理论与实验对比，确认电荷噪声是当前系统中最主要的退相干来源，为进一步优化器件性能明确了方向。
该工作首次在硅基材料中实现共振交换量子比特与微波光子的强耦合，展示了其在全电控、可扩展量子计算架构中的潜力。量子信息实验室郭国平教授、曹刚特任教授以及宋骧骧特任研究员为论文共同通讯作者，博士生江顺利和蒋天翼为共同第一作者。
此外，近期该团队在另一项发表于Physical Review Applied的工作中，通过深入研究TiN高阻抗微波谐振腔在磁场下的响应，探讨了磁性缺陷对谐振频率、电荷噪声的影响，指出了通过磁场调控进一步优化谐振腔、自旋比特性能的潜力，量子信息实验室曹刚特任教授、宋骧骧特任研究员为论文共同通讯作者，博士生黄子庆和叶澍坤为共同第一作者。
系列工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委、江苏省等项目资助。
Physical Review Letters论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/31wk-5yqp
Physical Review Applied论文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/5k9f-7gc7
（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、苏州高等研究院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
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